J. Priestley (1733-1804) –nhà hóa học triết học người Anh, một trong những người sáng lập lên các
4.2.5. Hợp chất cơ nguyên tố
Những nguyên tố nào có thể hình thành liên kết cộng hóa trị với carbon?
Hợp chất cơ nguyên tố và đặc biệt là cơ kim, là một trong những chất hữu cơ phổ biến nhất trong tự nhiên. Chúng có trong thành phần của phần lớn cơ thể động thực vật. Tuy nhiên, các hợp chất chứa liên kết của carbon với các nguyên tố khác, ngoài hydro, oxy và nitơ, đầu tiên thu được bằng phương pháp tổng hợp. Hơn nữa, nhiều hợp chất cơ nguyên tố tổng hợp được hoàn toàn không gặp trong tự nhiên.
Những chất này bao gồm các hợp chất cơ silic (organosilicon). Một số trong số chúng đã được biết đến từ thế kỷ XIX. Các hợp chất trong đó silic hình thành liên kết đồng thời với gốc hydrocarbon và một nguyên tử oxy, được gọi là silicon. Sau này bất kỳ polyme cơ silic nào cũng được gọi là silicon. Cho đến những năm 30 của thế kỷ XX các nghiên cứu hợp chất cơ silic là chỉ mang tính hàn lâm. Bước ngoặt trong lĩnh vực này đã được thực hiện năm 1937 bởi nhà hóa học, viện sĩ Liên Xô, Kuzma Andrianovich Andrianov (1904-1978), người đã phát triển một phương pháp đơn giản điều chế nhựa silicone. Đáng chú ý là chúng có nhiều tính chất có giá trị trong thực tế. Trong những năm chiến tranh thế giới thứ hai tại Hoa Kỳ và sau đó ở các nước khác đã bắt đầu sản xuất công nghiệp các hợp chất cơ silic cho các mục đích khác nhau. Cao su silicone có khả năng chịu nhiệt và hóa chất tuyệt vời, nhựa silicone được sử dụng làm vật liệu cách điện và bảo vệ lớp phủ chống ăn mòn, alkyl cloxilan và các dẫn xuất của chúng có đặc tính chống thấm nước tuyệt vời.
Từ nửa đầu thế kỷ XIX đã thu được những hợp chất cơ flo (organofluorine) đầu tiên, nhưng cho đến thập niên 40 của thế kỷ XX người ta vẫn chưa tìm được ứng dụng của chúng trong thực tế. Động lực cho sự phát triển của hóa học các hợp chất cơ flo là sự cần thiết cho ngành công nghiệp hạt nhân trong các vật liệu bền với tác động flo hóa của UF6 – chất được sử dụng để tách đồng vị uranium. Điều
này dẫn đến quá trình flo hóa toàn bộ các hydrocarbon lỏng và rắn. Hơn nữa là các vật liệu mới này đề kháng với tác động ăn mòn môi trường hơn hẳn kim loại quý, vì vậy chúng đã được sử dụng rộng rãi trong công nghệ hiện đại. Dầu bôi trơn, chất lỏng thuỷ lực, chất dẻo, cao su trên cơ sở hợp chất cơ flo có thể làm việc một thời gian dài trong điều kiện cực kỳ khắc nghiệt. Các hợp chất này được sử dụng cho chế tạo các mạch máu và van tim nhân tạo trong y học, làm chất làm lạnh (freon) và làm vật liệu cho các thiết bị điện tử.
Các hợp chất cơ kim đầu tiên thu được trong nửa đầu của thế kỷ XIX. Chúng bao gồm dimethyl và diethyl kẽm, thu được vào năm 1849 bởi E. Frankland. Người ta đã nhanh chóng biết được rằng chúng có thể được thử nghiệm thành công trong tổng hợp hữu cơ. Thí dụ như để điều chế rượu butyl bậc ba A. M. Butlerov đã sử dụng dimethyl kẽm. Cải tiến căn bản của phương pháp tổng hợp các hợp chất hữu cơ mới này là sự thay thế kẽm bằng magiê. Năm 1900 nhà hóa học hữu cơ người Pháp François Auguste Victor Grignard (1871-1935), đã thu được hợp chất RMgCl bằng cách cho cloancan tương tác với magiê trong ê-te. Sau này, các hợp chất như vậy được gọi là thuốc thử Grignard. Những công việc của Grignard đã đánh dấu sự khởi đầu quá trình tổng hợp cơ Mg của hydrocarbon, rượu, andehit, xeton và các hợp chất hữu cơ khác. Nhờ vào việc khám phá ra phản ứng trên (phản ứng mang tên Grignard), ông đã được trao giải thưởng Nobel năm 1912. Với sự giúp đỡ của thuốc thử Grignard có thể thu được các chất hữu cơ thuộc nhiều nhóm khác nhau, bao gồm cả cơ nguyên tố. Vì vậy, cho đến nay tổng hợp cơ Mg vẫn còn là một trong những phương pháp điều chế quan trọng nhất của hoá học hữu cơ. Trong số các hợp chất cơ kim khác, chất được ứng dụng rộng rãi đó là các dẫn xuất nhôm được sử dụng như là chất xúc tác trùng hợp, và các dẫn xuất chì (chì tetraetyl là phụ gia chống nổ xăng dầu.)
Trong những năm 50 của thế kỷ XX bắt đầu sự phát triển mạnh mẽ trong hóa học các hợp chất hữu cơ có chứa các kim loại chuyển tiếp. Một số nhóm nghiên cứu đã nhanh chóng phát hiện các hợp chất được gọi là "sandwich", mà đại diện đầu tiên của nó là ferrocen (sắt dicyclopentadien). Trong các hợp chất này, nguyên
tử kim loại nằm giữa hai anion cyclopentadiene song song và liên kết với hệ thống liên kết π liên hợp của vòng. Năm 1973 các nhà hóa học hữu cơ Ernst Otto Fischer của Đức, và Geoffrey Wilkinson của Anh đã giành được giải thưởng Nobel cho các công trình hóa học về hợp chất cơ kim kiểu "sandwich".
Ở nước Nga, nghiên cứu các hợp chất ferrocen và các hợp chất cơ kim tương tự khác được chủ động thực hiện bởi nhóm các nhà khoa học dưới sự dẫn dắt của A. N. Nesmeyanov.
Nesmeyanov Alexander Nikolayevich (1899-1980) - nhà hóa học Liên Xô, nghiên cứu trong lĩnh vực hóa học các hợp chất cơ kim. Ông đã điều chế một loạt các dẫn xuất hữu cơ của thủy ngân, thiếc, chì, antimon; phát hiện quy luật giữa vị trí của kim loại trong hệ thống tuần hoàn và khả năng của nó trong sự tạo thành các hợp chất hữu cơ nguyên tố. Ông cũng đã tìm hiểu các hợp chất "sandwich" và nghiên cứu cách tạo ra các loại thực phẩm tổng hợp.
Câu hỏi
1. Làm thế nào có thể giải thích sự hình thành các hợp chất cơ nguyên tố theo quan điểm hiện đại về liên kết hóa học?
2. Các hợp chất cơ nguyên tố có ứng dụng gì trong công nghệ hiện đại và cuộc sống hàng ngày của con người?